Refratometria da fundação, tipos de refraturas, aplicações

O Refratometria É um método de análise de substância óptica que mede o índice de refração de uma substância para determinar suas principais características. É baseado no fato de que a luz, ao passar de um meio para outro, experimenta uma mudança de direção que depende da natureza desses meios.

A velocidade da luz no vácuo é c = 300.000 km/s, mas na água, por exemplo, diminui para v = 225.000 km /s. O índice de refração n É definido precisamente como o quociente cv.

figura 1. Refratômetro usado para medir o teor de açúcar em frutas. Fonte: Wikimedia Commons.

Suponha que a luz de um determinado comprimento de onda afete um ângulo predeterminado na superfície que limita dois materiais diferentes. Então a direção do raio mudará, porque cada meio tem um índice de refração diferente.

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Como calcular o índice de refração

A lei de Snell relata o índice de refração entre dois meios 1 e 2 como:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

Aqui n₁ É o índice de refração no meio 1, θ₁ É o ângulo de incidência do raio na superfície limite, n₂ É o índice de refração em médio 2 e θ₂ É o ângulo de refração, em cuja direção o raio transmitido continua.

Figura 2. Raio de luz afetando dois meios diferentes. Fonte: Wikimedia Commons.

O índice de refração do material é constante e é conhecido sob certas condições físicas. Com isso, você pode calcular o índice de refração de outro meio.

Por exemplo, se a luz passar por um prisma de vidro cujo índice é n₁ E então, por causa da substância cujo índice você deseja saber, medindo cuidadosamente o ângulo de incidência e refração, é obtido:

n₂ = (sin θ₁ / sin θ₂). n₁

Tipos de refratômetros

O refratômetro é um instrumento que mede o índice de refração de um líquido ou um sólido com faces planas e lisas. Existem dois tipos de refratadores:

-Tipo óptico-manual, como o refratômetro Abbe.

-Refratíferas digitais.

- Tipo óptico-manual, como o refratômetro Abbe

O refratômetro de Abbe foi inventado no século XIX por Ernst Abbe (1840-1905), um físico alemão que contribuiu significativamente para o desenvolvimento de ótica e termodinâmica. Esse tipo de refratômetro é amplamente utilizado na indústria de alimentos e laboratórios do ensino e basicamente consiste em:

-Uma lâmpada como uma fonte luminosa, geralmente vapor de sódio, cujo comprimento de onda é conhecido. Existem modelos que usam luz branca normal, que contém todos os comprimentos de onda visíveis, mas eles trazem prismas chamados prismas Amici Prismas, que eliminam comprimentos de onda indesejados.

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-A iluminação prisma e outro Prisma de refração, Entre os quais a amostra é colocada cujo índice é medir.

-Termômetro, já que o índice de refração depende da temperatura.

-Mecanismos de ajuste de imagem.

-O ocular, através do qual o observador realiza a medida.

O arranjo dessas peças básicas pode variar de acordo com o design (veja a Figura 3 à esquerda). Veremos os princípios da operação.

Figura 3. À esquerda, um refratômetro abbe e à direita um esquema operacional básico. Fonte: Wikimedia Commons. 丰泽 号 号 [CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

Operação do refratômetro abbe

O procedimento é o seguinte: a amostra é colocada entre o prisma de refração -que é fixo -e a iluminação prisma -abatível-.

O prisma de refração é muito puxado e seu índice de refração é alto, enquanto a iluminação é fosca e áspera na superfície de contato. Dessa forma, quando a lâmpada é iluminada, a luz é emitida em todas as direções na amostra.

Ray AB da Figura 3 é aquele com o maior desvio possível, de modo que à direita do ponto C um observador verá um campo sombreado, enquanto o setor à esquerda será iluminado. O mecanismo de ajuste entra em ação agora, porque o que é procurado é fazer os dois campos.

Para isso, há uma marca de ajuda na Ocular, que varia de acordo com o design, mas pode ser um cruzamento ou outro tipo de sinal, que serve para focar os campos.

Quando os dois campos têm o mesmo tamanho, o ângulo crítico ou o ângulo limite pode ser medido, que é o ângulo em que o raio transmitido concederia através da superfície que separa o meio (veja a Figura 4).

Saber esse ângulo permite calcular diretamente o índice de refração da amostra, tendo o prisma. Vamos ver isso com mais detalhes então.

O ângulo crítico 

Na figura a seguir, vemos que o ângulo crítico θ_c É aquele em que o raio viaja apenas na superfície limite.

Se o ângulo aumentar mais, o feixe não atingir o meio 2, mas é refletido e continua em médio 1. A lei de Snell aplicada a este caso seria: sen θ₂ = Sen 90º = 1, que leva diretamente ao índice de refração no meio 2:

n₂ = n₁ sin θ_c

Figura 4. Ângulo crítico. Fonte: f. Zapata.

Bem, o ângulo crítico é obtido apenas equalizando o tamanho das luzes da luz e sombra que são vistas pela ocular, que também observa uma escala graduada.

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A escala geralmente é calibrada para a leitura direta do índice de refração; portanto, dependendo do modelo do refratômetro, o operador verá algo semelhante ao observado na imagem a seguir:

Figura 5. A escala de um refratômetro é calibrada para fornecer diretamente o índice de refração. Fonte: refratometria. Universidade Estadual de Oregon.

A escala superior, com a ajuda da linha vertical, indica a principal medida: 1.460, enquanto a escala inferior mostra 0.00068. Quando você tem o índice de refração 1.46068.

Importância do comprimento de onda 

A luz que afeta o prisma de iluminação mudará sua direção. Mas como é uma onda eletromagnética, a mudança dependerá de λ, o comprimento da onda incidente.

Como a luz branca contém todos os comprimentos de onda, cada um é refratado em um grau diferente. Para evitar essa mistura que dá origem a uma imagem difusa, a luz usada em um refratômetro de alta resolução deve ter um comprimento de onda único e bem conhecido. O mais utilizado é a linha de sódio tão chamada, cujo comprimento de onda é 589,6 nm.

Nos casos em que não é necessária muito precisão, a luz natural é suficiente, embora contenha uma mistura de comprimentos de onda. No entanto, para impedir a vantagem entre a área iluminada e a escura da imagem, alguns modelos adicionam os prismas com compensação de amici.

Vantagens e desvantagens

A refratometria é uma técnica rápida, econômica e confiável para conhecer a pureza de uma substância, por isso é muito difundida em química, bioanalisia e tecnologia de alimentos.

Mas como existem substâncias diferentes com o mesmo índice de refração, é necessário saber qual está sendo analisado. Por exemplo, sabe -se que a ciclohexana e algumas soluções açucaradas têm o mesmo índice de refração a uma temperatura de 20 ºC.

Por outro lado, o índice de refração depende em grande parte da temperatura, como afirmado acima, além da pressão e concentração da solução refrativa. Todos esses parâmetros devem ser cuidadosamente monitorados quando é necessária uma grande precisão nas medidas.

Quanto ao tipo de refratômetro a ser usado, depende muito do aplicativo para o qual se destina. Aqui estão algumas características dos principais tipos:

Abbe manual refratômetro

-É um instrumento confiável e de baixa manutenção.

-Eles geralmente são econômicos.

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-Muito apropriado para familiarizar os princípios fundamentais da refratometria.

-Você deve tomar cuidado para não arranhar a superfície do prisma em contato com a amostra.

-Você tem que limpar após cada uso, mas isso não pode ser feito com papel ou materiais ásperos.

-O operador do refratômetro deve ter treinamento.

-Cada medida deve ser registrada manualmente.

-Eles geralmente vêm com escalas calibradas especificamente para uma certa gama de substâncias.

-Eles precisam ser calibrados.

-O sistema de controle de banho de água pode ser complicado para usar.

Refratíferas digitais

-Eles são fáceis de ler, já que a medida aparece diretamente em uma tela.

-Eles usam sensores ópticos para leituras de alta precisão.

-Eles têm a capacidade de armazenar e exportar os dados obtidos e poder consultá -los a qualquer momento.

-Eles são extremamente precisos, mesmo para substâncias cujo índice de refração é difícil de medir.

-É possível programar diferentes escalas.

-Eles não requerem ajuste de temperatura com água.

-Alguns modelos incorporam medidas de densidade, por exemplo, ou podem se conectar a densímetros, medidores de pH e outros, para economizar tempo e obter medidas simultâneas.

-Não é necessário.

-Eles são mais caros que os refratômetros manuais.

Formulários

Conhecer o índice de refração de uma amostra indica o grau de pureza disso, de modo que a técnica é amplamente usada na indústria de alimentos:

-No controle de qualidade dos óleos, para determinar sua pureza. Por exemplo, por refratometria, é possível saber se um óleo de girassol foi reduzido adicionando outros óleos de qualidade inferior.

Figura 6. Laboratório de Tecnologia de Alimentos. Fonte: piqsels.

-É usado na indústria de alimentos para conhecer o teor de açúcar em bebidas açucaradas, compotas, leite e seus derivados e diversos molhos.

-Eles também são necessários no controle de qualidade de vinhos e cervejas, para determinar o teor de açúcar e a graduação alcoólica.

-Na indústria química e farmacêutica para o controle de qualidade de xaropes, perfumes, detergentes e todos os tipos de emulsões.

-Eles podem medir a concentração de uréia - um desperdício do metabolismo das proteínas - no sangue.

Referências

1. Técnicas de laboratório de química. Refratometria. Recuperado de: 2.UPS.Edu.
2. Gavira, J. Refratometria. Recuperado de: Triplenlace.com
3. Toledo de cartle. Comparação de diferentes técnicas de medição de densidade e refratometria. Recuperado de: mt.com.
4. Interlab líquido. O que é um refratômetro e para que é?. Recuperado de: líquido interlab.é.
5. Universidade Estadual de Oregon. Princípios de refratometria. Recuperado de: sites.Ciência.Oregonstate.Edu.